Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM, моделирование методом послойного наплавления) — это технология аддитивного производства (трёхмерной печати), в которой объект создаётся путём послойного нанесения расплавленной термопластичной нити (филамента). Технология является одной из наиболее распространённых и доступных в сфере 3D-печати, благодаря относительно низкой стоимости оборудования и расходных материалов.

История

Технология FDM была изобретена и запатентована американским инженером Скоттом Крампом в 1989 году. В 1990 году Крамп совместно с женой Лизой основал компанию Stratasys, которая начала коммерциализацию технологии. Первоначально FDM использовалась исключительно в промышленных целях для создания прототипов и моделей.

Срок действия патента на FDM истёк в 2009 году, что привело к бурному развитию рынка настольных 3D-принтеров. Проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper), запущенный в 2005 году, сыграл ключевую роль в демократизации технологии, создав открытые конструкции самовоспроизводящихся 3D-принтеров. После 2009 года появилось множество компаний-производителей настольных FDM-принтеров, таких как MakerBot, Ultimaker, Prusa Research и другие.

Принцип работы

Процесс FDM-печати состоит из нескольких этапов:

1. Подготовка модели. Трёхмерная цифровая модель (обычно в формате STL) разбивается на горизонтальные слои с помощью слайсера — специального программного обеспечения. Слайсер генерирует G-код, содержащий команды для перемещения печатающей головки и подачи материала.
2. Подача филамента. Термопластичная нить (филамент) подаётся в печатающую головку (экструдер) с помощью механизма подачи (фидера).
3. Плавление и экструзия. В экструдере филамент нагревается до температуры плавления (обычно от 180 до 300 °C в зависимости от типа пластика). Расплавленный материал выдавливается через сопло (дюз) малого диаметра (0,2–1,0 мм).
4. Нанесение слоя. Печатающая головка перемещается по заданной траектории, нанося расплавленный пластик на рабочую платформу. Материал быстро застывает, образуя твёрдый слой.
5. Построение объекта. После завершения одного слоя платформа опускается (или печатающая головка поднимается) на толщину слоя, и процесс повторяется, пока объект не будет полностью создан.

Классификация FDM-принтеров

По типу кинематики

• Декартовы (Cartesian). Перемещение печатающей головки осуществляется по трём осям (X, Y, Z) с помощью ремённых передач и направляющих. Наиболее распространённый тип.
• Дельта (Delta). Печатающая головка подвешена на трёх параллельных рычагах, которые перемещаются по вертикальным направляющим. Обеспечивают высокую скорость печати, но имеют ограничения по высоте объекта.
• Полярные (Polar). Платформа вращается вокруг своей оси, а печатающая головка перемещается только по радиусу и вертикали. Компактные, но менее точные.
• SCARA. Используют шарнирную руку для перемещения экструдера. Отличаются высокой скоростью и точностью.

По типу экструдера

• Прямой (Direct Drive). Экструдер расположен непосредственно над соплом, на печатающей головке. Обеспечивает точную подачу филамента, но увеличивает массу головки.
• Боуден (Bowden). Экструдер вынесен на неподвижную часть принтера, а филамент подаётся к соплу через длинную тефлоновую трубку. Снижает массу головки, позволяя печатать быстрее, но может вызывать проблемы с подачей гибких материалов.

По количеству экструдеров

• Одноэкструдерные. Печатают одним материалом (или одним цветом).
• Многоэкструдерные. Имеют два и более экструдера, что позволяет печатать несколькими материалами или цветами одновременно. Часто используются для печати растворимых поддержек (например, PVA или HIPS).

Материалы для FDM-печати

Основные типы филаментов:

• PLA (полилактид). Наиболее популярный материал. Биоразлагаемый, легко печатается, имеет низкую температуру плавления. Подходит для создания прототипов, декоративных изделий и игрушек.
• ABS (акрилонитрилбутадиенстирол). Прочный, ударопрочный, термостойкий. Требует подогреваемой платформы и закрытой камеры для предотвращения деформации (усадки). Используется для функциональных деталей.
• PETG (полиэтилентерефталат гликоль). Сочетает прочность ABS и лёгкость печати PLA. Устойчив к химическим воздействиям. Часто используется для пищевых контейнеров и механических деталей.
• TPU (термопластичный полиуретан). Гибкий и эластичный материал. Используется для печати уплотнителей, чехлов, амортизаторов.
• Nylon (нейлон). Очень прочный, износостойкий, гибкий. Требует высокой температуры печати и сушки филамента. Применяется для функциональных деталей, шестерёнок, подшипников.
• PC (поликарбонат). Высокопрочный, термостойкий, прозрачный. Требует печати при высоких температурах (до 300 °C) и в закрытой камере.
• Композитные филаменты. Содержат наполнители (дерево, металл, углеродное волокно, керамика). Придают изделиям текстуру и свойства наполнителя, но требуют износостойких сопел.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкая стоимость оборудования и расходных материалов. FDM-принтеры являются самыми доступными среди всех типов 3D-принтеров.
• Простота использования. Технология не требует сложной постобработки (в отличие от фотополимерной печати).
• Широкий выбор материалов. Доступно множество термопластиков с различными свойствами.
• Возможность создания крупных объектов. FDM-принтеры могут иметь большие рабочие камеры.
• Высокая механическая прочность деталей. Изделия из ABS, PETG, Nylon и PC могут выдерживать значительные нагрузки.

Недостатки

• Низкое разрешение и видимая слоистость. Поверхность изделий требует шлифовки и постобработки для получения гладкой поверхности.
• Ограниченная точность. Точность печати зависит от калибровки принтера и качества филамента.
• Необходимость поддержек. Для нависающих элементов требуются поддерживающие структуры, которые затем удаляются.
• Медленная скорость печати. Создание крупных объектов может занимать десятки часов.
• Усадка и деформация. Некоторые материалы (особенно ABS) склонны к усадке и деформации при охлаждении.

Применение

FDM-технология широко используется в различных областях:

• Прототипирование. Быстрое создание функциональных и эстетических прототипов для проверки дизайна и функциональности.
• Мелкосерийное производство. Изготовление конечных деталей для малого бизнеса, запасных частей и инструментов.
• Образование. Используется в школах и университетах для обучения основам 3D-моделирования и инженерии.
• Медицина. Создание анатомических моделей для планирования операций, ортопедических стелек, протезов и хирургических шаблонов.
• Архитектура. Изготовление макетов зданий и ландшафтов.
• Ювелирное дело. Создание восковых моделей для литья по выплавляемым моделям.
• Домашнее использование. Печать игрушек, бытовых мелочей, кастомизированных аксессуаров.

Сравнение с другими технологиями 3D-печати

Интересные факты

• Первый в мире коммерческий FDM-принтер, Stratasys 3D Modeler, был выпущен в 1992 году.
• Технология FDM используется для печати деталей ракет и космических аппаратов, например, в компании SpaceX.
• В 2014 году в Китае был построен 10-этажный дом с использованием FDM-печати бетоном.
• Некоторые FDM-принтеры способны печатать съедобными материалами, такими как шоколад или тесто.

Источники

1. Патент США № 5121329 (Fused deposition modeling, 1992).
2. Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
3. Wohlers, T. (2021). Wohlers Report 2021: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. Wohlers Associates.
4. Материалы сайта Stratasys (раздел «Технологии»).
5. Материалы сайта RepRap (раздел «История»).